The dynamics and geometry of magnetic domain in magnetization reversal of various ferromagnetic systems, from nanothin films to nanostructures, have been of interest for future application such as spintronics, quantum computing and ultrahigh density recording, since information is stored in the form of magnetic domain and the basic process involved is the reversal of domains under an applied field in magnetic information technology. Also sweep rate effect on magnetization reversal has been crucial because it is relevant to high speed magnetic recording and high frequency spintronic device.
In this study, we have investigated the domain dynamics and the magnetization reversal of Co-based multilayer thin films and wires by means of MOMM (magnetooptical microscope magnetometer). MOMM mainly consists of an optical polarizing microscope and a digital-intensifying CCD, and a high speed frame grabber to observe and store the image of magnetic domain via magnetooptical Kerr effect (MOKE). This system enables us to generate the local coercivity distribution map as well as to directly observe time-resolved domain evolution patterns with the spatial resolution of 0.4㎛ and the Kerr rotation angle resolution of 0.1˚at ×1000 magnification.
We have investigated the wall-motion activation volume and the nucleation activation volume of Co/Pt multilayer films prepared by dc magnetron sputtering under various Ar sputtering pressures using MOMM. Quantitative analysis of time-resolved domain evolution patterns reveals that the wall-motion activation volume is generally larger than the nucleation activation volume in all samples, which is consistent with the nucleation dominant reversal behavior observed in this system. Enough interestingly, we find that activation volume decreases with increasing Ar sputtering pressure. Decreasing grain size with increasing Ar sputtering pressure is believed to be the origin of our results.
we have studied the correlation between the local coercivity variation and the local switching time of Co/Pd multilayer wires fabricated by e-beam lithography and lift-off process. The local coercivity variations are obtained from two-resolved domain evolution patterns at exactly the same position of the sample. The correlation between coercivity variation and the local switching time seems to be systematically changed according to the wire width change. Surprisingly, we find from this correlation analysis that activation volume increases with increasing wire width.
Also we carried out local hysteresis loop measurement of Co/Pd multilayer wires with varying sweep rate in order to investigate the sweep rate effect on switching field distribution. Enough interestingly, we find that main coercivity distribution and satellite coercivity distribution are separated with increasing sweep rate. It is ascribed to different magnetization reversal mechanism in edge and center of wire varying sweep rate.
나노자성박막과 나노자성구조에서의 자구 형상과 동역학에 관한 연구는 자구생성, 자화역전 등과 같은 기본적인 자기 특성을 이해하기 위해서 뿐 만 아니라, 기술적인 면에 있어서도 초고밀도 자기기록 및 스핀트로닉스의 응용에서 매우 중요한 분야이다. 본 연구에서는 Co계 다층박막과 와이어에서의 자화역전과 자구 동역학에 관하여 연구하였다.
자구의 형상과 동역학을 연구하기 위해서 고성능 광자기현미경자력계(MOMM)을 이용하였다. 이 장비는 편광 현미경과 디지털 증폭 CCD, 그리고 고속 영상캡쳐장비로 구성이 되어있으며, MOKE 현상을 이용하여 자구를 실시간으로 직접 관찰하고 저장할 수 있다. 1000배의 배율에서 0.4㎛의 공간분해능과 0.1°의 Kerr 회전각 분해능을 갖고 30frame/s으로 자구를 측정할 수 있다.
각기 다른 Ar 가스 압력에서 dc 마그네트론 스퍼터링 방법으로 제작된 동일한 조성의 Co/Pt 다층박막을 광자기현미경자력계를 이용하여 자화역전 및 자구 동역학을 실험하였다. 시간에 따른 자구이미지들을 정량적으로 분석하여, wall-motion 활성화 부피와 nucleation 활성화부피를 각각 구하였다. Nucleation 과정이 우세한 자화반전 형태를 보이는 모든 시료에 대해서 wall-motion 활성화 부피가 nucleation 활성화부피보다 큰 사실을 발견하였다. 자구반전에 있어서 중요한 요소인 V/R과 두 활성화부피의 차 사이의 상관관계로부터, 두 활성화부피 중 더 작은 부피를 갖는 자구반전의 형태로 자화반전이 우세하게 된다는 사실을 규명하였다. 또한 Ar 가스 압력이 증가하면서 활성화부피가 감소하는 결과를 얻었다. AFM을 통한 grain구조와 활성화 부피와의 상관관계로부터, Ar 가스 압력이 증가하면서 활성화부피가 감소하는 원인을 규명하였다.
e-beam lithography와 lift-off과정을 이용하여 제작된 Co/Pd 다층박막 와이어에서 광자기현미경자력계를 이용하여 local switching time과 local coercivity variation의 상관관계를 연구하였다. 자화역전 실험을 통해 얻어진 시간에 따른 자구이미지들로부터 local switching time을 구하였고, 정확히 같은 위치에서 local hysteresis loop 측정을 통해 local coercivity variation을 구하였다. 이 두 양의 상관 관계로부터 활성화부피를 구하였는데, 와이어의 선폭이 증가함에 따라 활성화 부피가 증가됨을 발견하였다. 또한, Co/Pd 다층박막 와이어에서 외부자기장의 sweep rate이 local coercivity distribution에 미치는 영향에 관해 연구를 하였다. 일반적으로 알려진 바와 같이 sweep rate이 증가함에 따라서 coercivity가 증가함을 관측하였고, sweep rate이 증가하면서 local coercivity distribution에서 두 개의 distribution이 분리되는 결과를 발견하였다. Local hysteresis loop 측정과 local viscosity curve 측정을 통해 와이어의 가장자리와 가운데에서의 자기 특성과 자구반전의 형태가 달라짐을 확인하였다. sweep rate이 증가하면서 local coercivity distribution에서 두 개의 distribution으로 분리되는 것은 sweep rate이 증가하면서 와이어의 가장자리와 가운데에서의 자화역전 형태가 두드러지게 달라지기 때문으로 이해할 수 있다. 이러한 sweep rate의 결과가 소자의 크기가 작아지고, 작동속도가 빨라짐에 따라 MRAM과 같은 스핀트로닉스에 매우 중요한 요소가 될 것이라 예상된다.
